氧化铁/膨润土的制备及其类Fenton催化降解金橙Ⅱ

摘要

染料废水具有色度大、毒性高、排放量大，且污染组分复杂等特性，常规废水处理方法难以对其进行脱色降解。非均相Fenton反应体系氧化范围广，反应速度快，可有效地降解废水中有机污染物，同时又能避免二次污染。本文以用离子交换方法制备的FeOOH/膨润土为基础材料，利用焙烧法制备得到α-Fe2O3/膨润土催化剂，氢氛还原法制备得到Fe3O4/膨润土催化剂，以金橙Ⅱ为探针分子，探讨α-Fe2O3/膨润土催化剂和Fe3O4/膨润土催化剂的Fenton催化性能，确定其最佳制备工艺条件。利用XRD、SEM和EDS对最优工艺条件下制备的α-Fe2O3/膨润土催化剂和Fe3O4/膨润土催化剂进行表征，探讨其结构特点。另外采用行星球磨机对FeOOH/膨润土催化剂、α-Fe2O3/膨润土催化剂和Fe3O4/膨润土催化剂进行活化，确定机械活化对三种催化剂催化活性的影响。研究结果可为非金属膨润土矿产资源深加工制备复合材料提供重要参考，所取得的技术可为开发新型高效、稳定的膨润土基多相催化剂和处理实际难降解印染废水提供理论依据。本研究结论如下:
　　1、焙烧法制备α-Fe2O3/膨润土催化剂关键控制因素的最佳工艺条件为:[OH]/[Fe3+]=1.5∶1，Fe/土=5 mmol· g-1，焙烧温度为500℃，焙烧时间为2h。在此条件下制备的α-Fe2O3/膨润土催化剂具有良好的类Fenton催化性能，在α-Fe2O3/膨润土催化剂投加量0.2 g·L-1、pH3.0、反应温度30℃、H2O2投加量19.6 mmol· L-1的条件下反应，5h对40 mg· L-1金橙Ⅱ的去除率达到95.5％。α-Fe2O3/膨润土催化剂具有良好的稳定性，重复使用3次，对金橙Ⅱ的去除率保持在88％以上，各次重复实验结束后，反应溶液中总铁离子质量浓度均低于为0.4 mg·L-1。经过焙烧制备类Fenton催化活性组分α-Fe2O3有效固载在了膨润土上，所得α-Fe2O3/膨润土催化剂结构分散、孔隙明显、物化形态优良。
　　2、氢氛还原法制备Fe3O4/膨润土催化剂关键控制因素的最佳工艺条件为:[OH-]/[Fe3+]=1∶1，Fe/土=10 mmol· g-1，还原温度为200℃，还原时间为30 min。在此条件下制备的Fe3O4/膨润土催化剂具有良好的类Fenton催化性能，在Fe3O4/膨润土催化剂投加量0.2 g·L-1、pH3.0、反应温度30℃、H2O2投加量19.6 mmol·L-1条件下，反应1h对40 mg·L-1金橙Ⅱ的去除率达到96.9％，且Fe3O4/膨润土催化剂具有高效的磁分离性能。经过氢氛还原制备类Fenton催化活性组分Fe3O4有效固载在了膨润土上，所得Fe3O4/膨润土催化剂结构分散、孔隙明显、物化形态优良。
　　氢氛还原法制备的Fe3O4/膨润土催化剂类Fenton催化去除金橙Ⅱ的最佳工艺条件为:反应温度30℃、金橙Ⅱ初始浓度40 mg·L-1、Fe3O4/膨润土投加量0.4 g·L-1、H2O2投加量10 mmol·L-1、初始pH3，在此条件下反应1h时40 mg·L-1的金橙Ⅱ的去除率达到98.1％。Fe3O4/膨润土催化剂具有良好的稳定性，重复使用3次，对金橙Ⅱ的去除率保持在95％以上，各次重复实验结束后，反应溶液中总铁离子质量浓度均低于1.4 mg·L-1。
　　3、机械活化法可提高FeOOH/膨润土催化剂的催化活性，其最佳的机械活化工艺条件为:使用推挤体积15mL的中球加上堆积体积15mL的小球组合作为球磨介质，介质填充率为30％，机械活化频率为20 Hz，机械活化时间为40 min，机械活化球料比为30∶0.5（mL·g-1）。在实验条件为催化剂投加量0.2 g·L-1、pH3.0、反应温度30℃、H2O2投加量19.6 mmol· L-1，反应时间2h时，经过最优机械活化条件活化的FeOOH/膨润土催化剂对金橙Ⅱ的去除率提高了66％，且机械活化后的催化剂具有良好的稳定性，重复使用3次，对金橙Ⅱ的去除率均在84％以上，各次重复实验结束后，反应溶液中总铁离子质量浓度均低于1.2 mg·L-1。
　　机械活化法可提高α-Fe2O3/膨润土催化剂的催化活性，其最佳的机械活化工艺条件为:使用推挤体积15mL的中球加上堆积体积15mL的小球组合作为球磨介质，介质填充率为30％，机械活化频率为20 Hz，机械活化时间为60 min，机械活化球料比为30∶0.5(mL· g-1)。在实验条件为催化剂投加量0.2 g·L-1、pH3.0、反应温度30℃、H2O2投加量19.6 mmol· L-1，反应时间为1h时，经过最优机械活化条件活化的α-Fe2O3/膨润土催化剂1h对金橙Ⅱ的去除率提高到了79.1％，且机械活化后的催化剂具有良好的稳定性，重复使用3次，对金橙Ⅱ降解率均在88％以上，各次重复实验结束后，反应溶液中总铁离子质量浓度均低于0.7 mg·L-1。
　　对Fe3O4/膨润土催化剂进行机械活化时，Fe3O4/膨润土催化剂的对金橙Ⅱ的催化去除效果随着机械活化作用时间的延长，呈逐步下降趋势。经比较，以FeOOH/膨润土为基础材料，通过焙烧法和机械活化两种制备方法的结合，可得到更加高效稳定的铁氧化物/膨润土类Fenton催化剂。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 膨润土的介绍

1．1．1 膨润土的分类及特性

1．2 染料废水简介及处理技术

1．2．1 染料废水的来源

1．2．2 偶氮类染料

1．2．3 处理偶氮类染料的应用研究

1．3 Fenton氧化法

1．3．1 均相Fenton法

1．3．2 异相／非均相Fenton法

1．3．3 光助Fenton法

1．3．4 微波强化Fenton法

1．3．5 电Fenton法

1．4 铁及铁氧化物类Fenton催化降解染料

1．4．1 Fe0(零价铁)

1．4．2 FeOOH(针铁矿)

1．4．3 α-Fe2O3(赤铁矿)

1．4．5 Fe3O4(磁铁矿)

1．5 铁及铁氧化物／膨润土类Fenton降解染料废水的应用研究

1．6 机械活化的简介

1．6．1 机械活化作用机理

1．6．2 机械活化的应用研究

1．7 本课题的研究意义及主要内容

1．7．1 课题研究意义

1．7．2 课题主要内容

第二章 焙烧法制备α-Fe2O3／膨润土催化剂的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料和设备

2．2．2 α-Fe2O3／膨润土催化剂的制备

2．2．3 降解实验

2．2．4 金橙Ⅱ去除率的计算方法和铁离子溶出量的测定方法

2．2．6 α-Fe2O3／膨润土催化剂的表征

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 染料金橙Ⅱ标准曲线和铁离子标准曲线的绘制

2．3．2 制备工艺对α-Fe2O3／膨润土催化剂催化性能的影响

2．3．3 催化剂的表征及其分析

2．4 本章小结

第三章 氢氛还原法制备Fe3O4／膨润土催化剂的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料和设备

3．2．2 Fe3O4／膨润土催化剂的制备

3．2．3 降解实验

3．2．4 金橙Ⅱ去除率的计算方法和铁离子溶出量的测定方法

3．2．5 Fe3O4／膨润土催化剂的表征

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 制备工艺对Fe3O4／膨润土催化剂催化性能的影响

3．3．2 表征及其分析

3．3．3 Fe3O4／膨润土类Fenton催化降解金橙Ⅱ的研究

3．4 本章小结

第四章 机械活化对铁氧化物／膨润土催化剂催化性能的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料和设备

4．2．2 机械活化铁氧化物／膨润土催化剂的制备

4．2．3 降解实验

4．2．4 金橙Ⅱ去除率的计算方法和铁离子溶出量的测定方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 机械活化过程中各因素对FeOOH／膨润土催化剂催化性能的影响

4．3．2 机械活化过程中各因素对α-Fe2O3／膨润土催化剂催化性能的影响

4．3．3 机械活化对Fe3O4／膨润土催化剂催化性能的影响

4．3．4 两种机械活化氧化铁／膨润土催化剂对金橙Ⅱ去除效果的比较

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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